QualitĂ€tssicherung in Scan-Projekten: technet-Verfahren sorgt fĂŒr mĂ€rchenhafte Ergebnisse

Genauigkeit heißt nicht unbedingt ZuverlĂ€ssigkeit. Deshalb hat die Berliner Software-Schmiede technet GmbH ein besonderes Verfahren im Angebot, welches die QualitĂ€t von Laserscan-Projekten sicherstellen soll. 

Komplette Punktwolke: Oft treten geometrische Ungenauigkeiten auf, die in der Registrierung ihre Ursachen haben und lange nicht bemerkt werden. Foto: technet GmbH

Komplette Punktwolke: Oft treten geometrische Ungenauigkeiten auf, die in der Registrierung ihre Ursachen haben und lange nicht bemerkt werden. Foto: technet GmbH

Es war einmal ein Vermessungsingenieur, der bekam den Auftrag, ein großes öffentliches GebĂ€ude zu scannen. Die resultierende Punktwolke sollte als Planungsgrundlage fĂŒr die Sanierung des GebĂ€udes dienen. Also machte er sich an das umfassende Werk und arbeitete fleißig, bis schließlich 700 Scans gemessen waren. Alsdann fĂŒgte er die Einzelscans zu einer großen Punktwolke zusammen und ĂŒbergab sie voller Stolz an seinen Auftraggeber. Doch dann geschah groß Ungemach: Der Auftraggeber ĂŒberprĂŒfte das Aufmaß (klassisch mit Gliedermaßstab und Bandmaß) und siehe da, er stieß auf Differenzen im Dezimeterbereich. Da weinte der Vermessungsingenieur bittere TrĂ€nen, denn er musste viel nachmessen und nachrechnen und ging nicht nur vielen Geldes, sondern auch seiner Reputation verlustig.

MĂ€rchen der Fehlerfreiheit

Was wie ein MĂ€rchen klingt, ist in der heutigen Vermessungspraxis durchaus an der Tagesordnung. Besonders bei Projekten dieser GrĂ¶ĂŸenordnung. Die Ursachen fĂŒr die Fehler liegen meist bei der Registrierung der Punktwolken. Bei den ĂŒblichen Registrierungsverfahren können sich Fehler einschleichen, die zunĂ€chst unbemerkt bleiben, dann aber zu großen Abweichungen fĂŒhren können. Bemerkt man diese Registrier-Fehler erst nach der Modellierung, können die FolgeschĂ€den in den Projekten immens groß werden.

Genau dies vermeidet die Software SCANTRA von der Berliner Software-Schmiede technet GmbH. Das Spezialprogramm fĂŒr die Registrierung von Punktwolken, also der ZusammenfĂŒgung der einzelnen Scans zu einer Gesamtpunktwolke, erweitert handelsĂŒbliche Verfahren der Registrierung mit Algorithmen der geodĂ€tischen Ausgleichungsrechnung. Dies fĂŒhrt zu einer höheren Genauigkeit und ZuverlĂ€ssigkeit der Punktwolkendaten und bewirkt eine QualitĂ€tssicherung des Registrierergebnisses. Doch wie genau funktioniert dieses Verfahren?

Mathematische Grundlagen der QualitÀtssicherung

MarktĂŒblich bei der Registrierung von Punktwolken ist die Verwendung des sogenannten Iterative-Closest- Point-Algorithmus (ICP). Dieses Verfahren ermittelt die gegenseitige Registrierung von Scan-Paaren. Es setzt eine grobe Vororientierung der Scans voraus, welche hĂ€ufig aus IMU-Messungen, GNSS-Messungen oder radiometrischen Features abgeleitet wird. Als Bewertungskriterium einer solchen ICP-Registrierung dient im Allgemeinen das quadratische Mittel der Residuen, also der Fehler bei den zusammengefĂŒhrten, identischen Messpunkten. Mithilfe mehrerer paarweise Registrierungen kann ein Verbund von Scans durch fortlaufendes Aneinandertransformieren in ein gemeinsames Referenzsystem ĂŒberfĂŒhrt werden. Im Ergebnis entsteht dann die Gesamtpunktwolke.

In diesem Prozess können sich, wie im vorliegenden Fall, grobe Fehler „einschleichen“ und – besonders bei großen Projekten mit vielen Scans – sich potenzieren. Ein solcher unerwĂŒnschter, und zunĂ€chst oft nicht bemerkter, Effekt liegt im iterativen Algorithmus begrĂŒndet. „Dieser sucht, ausgehend von gegebenen Startwerten, nach einer Lösung, welche eine bestimmte Minimumsbedingung, in diesem Fall die Quadratsumme der Residuen in den identischen Punkten, erfĂŒllt“, beschreibt Frank Gielsdorf von technet. Bei ungĂŒnstigen Konfigurationen oder zu groben Startwerten kann der Algorithmus auf ein Nebenminimum laufen. Das heißt, das Ergebnis ist tatsĂ€chlich falsch, der Algorithmus weist es jedoch als sehr genau aus.

ZuverlÀssigkeit durch Redundanz

Der Ansatz von technet beruht hingegen auf der geodĂ€tischen Ausgleichungsrechnung. Der Clou dabei ist, redundante Messungen zu nutzen, um die paarweisen Registrierungen zu kontrollieren und gleichzeitig daraus ein eindeutiges Ergebnis zu bestimmen – unabhĂ€ngig vom Rechenweg. Entscheidend ist, dass dadurch die ZuverlĂ€ssigkeit einer Messungskonfiguration objektiv bestimmbar wird, also allgemein gesprochen die Möglichkeit geschaffen wird, grobe Messfehler zu erkennen.

Ergebnisse einer solchen Ausgleichung sind, neben den eindeutigen Registrierungsparametern, aussage- krĂ€ftige Genauigkeits- und ZuverlĂ€ssigkeitsmaße. „Gerade in großen Projekten können Fehler mit diesem Verfahren gut lokalisiert werden“, so Gielsdorf. SCANTRA ermöglicht auf dieser Grundlage die simultane Registrierung von Projekten mit mehreren Tausend Scans.

Die paarweisen Registrierungen zwischen benachbarten Scans werden in dem Programm in eine Blockausgleichung eingefĂŒhrt. So entsteht mit dem Netzwerk gleichermaßen eine Redundanz, die fĂŒr die Fehlerlokalisation und die Genauigkeitssteigerung genutzt wird. FĂŒr jede paarweise Registrierung weist SCANTRA den Redundanzanteil und eine TestgrĂ¶ĂŸe s0 aus. Letztere ist der Indikator fĂŒr das eventuelle Vorliegen eines Fehlers. „Die verbleibenden WidersprĂŒche des Netzes, die auf unvermeidliche Messunsicherheiten zu- rĂŒckzufĂŒhren sind, sind Grundlage fĂŒr eine GenauigkeitsabschĂ€tzung der berechneten Registrierparameter der einzelnen Stationen“, beschreibt Gielsdorf. (sg)

www.technet-gmbh.com